不同复合材料在沥青改性中的应用研究

潘国志

（喀左县交通运输事务服务中心，辽宁 朝阳）

前言

随着我国车辆数量及道路数量的显著增加，对沥青路面的性能要求也越加严格。根据以往的研究表明，通过添加不同的复合材料能够显著增强沥青路面的综合性能，如通过向沥青中添加橡胶粉，能够增强沥青的黏度、流动变形特性、抗滑特性及抑制路面结冰等[1-3]。同时，还有学者研究了橡胶粉对沥青路面性能的提升机理，发现橡胶粉能从物理和化学两方面对沥青的结构进行改性[4-5]。加之橡胶粉取自日益增多的废旧轮胎中，能够减小对环境的不利影响，因此橡胶改性沥青得到了广大学者的关注和工程推广应用。

但是，橡胶改性沥青也存在一定的缺陷，如橡胶粉在沥青中的成团现象，给橡胶粉改性沥青的推广应用带来一定的挑战[6]。研究发现，通过向橡胶粉改性沥青中再次加入多聚磷酸、石墨烯等外掺剂能够基本消除橡胶粉改性沥青的缺陷。周育名等[7]研究了多聚磷酸对橡胶粉改性沥青的性能提升影响规律，研究发现多聚磷酸能强化橡胶粉改性沥青的性能；刘建敏[8]还研究了多聚磷酸与橡胶粉联合改性沥青中多聚磷酸的最佳掺量；孟勇军等[9]研究了石墨烯与橡胶粉联合改性沥青的路用性能，发现石墨烯能够增强橡胶粉改性沥青的高温稳定性及其余路用性能指标。

随着众多研究及市场中出现的沥青改性添加剂种类越来越多，它们之间对沥青性能的影响对比研究目前还较少发现。因此，本研究将对常见的几种沥青改性复合材料对沥青的性能影响进行对比研究。

1 试验材料及试验方法

1.1 原材料

本研究使用的原材料为SK-90 基质沥青，其针入度为94.5 mm、软化点为47.3 ℃、密度为1.004 g/cm3、15 ℃延度大于150；添加剂为40 目橡胶粉、105%多聚磷酸以及石墨烯，其主要参数如表1 所示。

表1 添加剂的主要参数

1.2 试验方法

本研究以基质沥青为对照组，对比研究橡胶粉、橡胶粉- 多聚磷酸、橡胶粉- 石墨烯以及橡胶粉- 多聚磷酸- 石墨烯四组复合材料对基质沥青的改性效果，四组沥青的编号分别为CG、CR、CR-P 和CR-P-G。根据前人的研究，将橡胶粉的掺量设定为沥青质量15%、橡胶粉- 多聚磷酸中多聚磷酸掺量为沥青质量的0.8%、橡胶粉- 石墨烯中石墨烯的掺量为沥青质量的0.05%、橡胶粉- 多聚磷酸- 石墨烯中多聚磷酸和石墨烯的掺量分别为沥青质量的0.4%和0.025%。

在温度170 ℃条件下对基质沥青进行加热融化，然后向融化的沥青中加入添加剂，随后通过高速剪切乳化机进行1 h 的搅拌，搅拌速度为4 000 r/min。依据JTG E20-2011 标准，对不同沥青混合料的软化点、延度、高低温性能和车辙试验指标进行测试。

2 试验结果

2.1 软化点

各种复合改性沥青和基质沥青的软化特点在图1显示。从图中我们可以看到，由于复合材料的增加，沥青的软化特点也明显提高。以往的实验结果表明[10]，橡胶粉能够改变沥青的结构，使其内部形成一定的网状结构，增大其比表面积，增强沥青与橡胶粉之间的分子力，从而增强沥青的高温性能；多聚磷酸提高了沥青的高温特性，主要由于它可以提高材料中的沥青质浓度和胶团数量, 从而达到提高胶团之间的热相互作用能力,最终可以改善材料的高温特性[8]；石墨烯能够改善橡胶粉在沥青中的成团现象，使其分布均匀，充分发挥橡胶粉对沥青的改善效果[9]；三种材料组合形成的复合材料对沥青的高温性能提升最为明显。

图1 不同复合材料改性沥青的软化点

2.2 抗车辙因子

因为沥青在高温与车辆的影响下的主要损伤方式为轨辙变形, 所以利用在不同高温环境下沥青的耐车辙作用,来表现沥青的耐高温特性。各种复合改性沥青和基质沥青在不同工作温度下的抗车辙因子试验情况如图2 所示。从图中可以看出，所有组别的沥青的抗车辙因子随着温度的升高均呈现降低的趋势，这是由沥青材料自身特性所决定的，沥青从低温向高温的变化过程中会从弹性体转化为黏性体，弹性体的恢复变形能力更强，黏性体的恢复变形能力较弱。从图中还可以看出，在低温下，加入不同复合材料后，沥青的抗车辙因子降低，即沥青材料的恢复变形能力变弱，但是随着温度的升高，加入复合材料后的改性沥青的恢复变形能力降低幅度显著降低，说明复合材料对沥青的改良效果更加优异。

图2 不同复合材料改性沥青的抗车辙因子

2.3 延度和蠕变劲度

通过不同沥青材料的低温延度和蠕变劲度两个参数来表征其低温性能，蠕变劲度的测试是通过弯曲梁流变仪在-12 ℃条件下进行的。不同材料改性沥青以及基体沥青的温度延度和弯曲蠕变劲度试验数据在图3 中给出。由图中可以发现，改性橡胶粉的添加可以在明显改善基体沥青的温度延度的同时，明显减少了基体沥青的蠕变劲度值，即橡胶粉能显著增强基质沥青的低温性能，但是在橡胶粉改性沥青中单独加入多聚磷酸和石墨烯对沥青的延度和蠕变劲度影响不大，说明复合材料改性沥青的低温性能主要受橡胶粉的影响，这与前人的研究结果一致[7]。但是在橡胶粉中加入多聚磷酸和石墨烯的混合物后沥青的延度再次升高，蠕变劲度再次降低，说明橡胶粉- 多聚磷酸-石墨烯三元复合材料改性沥青混合料的低温性能最优。

图3 不同复合材料改性沥青的延度和蠕变劲度

2.4 路用性能

复合材料改性沥青既能增强基质沥青的高温性能又能增强其低温性能，因此以不同复合材料改性沥青为胶结料，配制AC-13 密级配沥青混合料探索复合材料对沥青混合料路用性能的影响。不同复合材料改性沥青的稳态稳定度如图4 所示。从图中可以看出，橡胶粉的加入能够显著提高沥青混合料的动态稳定度，在橡胶粉中加入多聚磷酸、石墨烯和两者的混合物后沥青混合料的动态稳定度再次提升，说明复合材料改性沥青的高温稳定性最强，其中橡胶粉- 多聚磷酸- 石墨烯三元复合材料改性沥青混合料的稳态稳定度最高，即高温性能最优。

图4 不同复合材料改性沥青混合料的车辙试验结果

不同复合材料改性沥青混合料的小梁弯曲试验测试结果如图5 所示。从图中可以看出，橡胶粉的加入能够降低基质沥青混合料的弯曲劲度模量，但是在橡胶粉改性沥青中分别加入多聚磷酸和石墨烯后沥青混合料的弯曲劲度模量变化不大，甚至还有所增大，说明混合料的低温性能主要受橡胶粉的影响，这与沥青的低温性能研究结果一致。但是在橡胶粉中加入多聚磷酸和石墨烯的混合物后沥青的弯曲劲度模量再次降低，说明橡胶粉- 多聚磷酸- 石墨烯三元复合材料改性沥青混合料的低温性能最优。

图5 不同复合材料改性沥青混合料的弯曲劲度模量

3 结论

本研究通过研究不同材料对基质沥青高低温性能及其路用性能的影响，得到如下几点结论：

（1） 仅橡胶粉作为改性剂时能增大基质沥青的软化点、抗车辙因子和延度，降低其蠕变劲度，达到增强基质沥青高低温性能的效果。

（2） 在橡胶粉基础上添加多聚磷酸、石墨烯和两者的混合物后能再次提高沥青的软化点、抗车辙因子和延度，降低其蠕变劲度，其中高温性能改善效果优于低温性能改善效果。

（3） 橡胶粉- 多聚磷酸- 石墨烯三元复合材料改性沥青混合料的高低温性能最优。